鉅大LARGE | 點擊量：1973次 | 2021年04月14日
有關鋰離子電池內(nèi)阻測量方法的講解
1鋰離子電池內(nèi)阻的構(gòu)成
鋰離子電池內(nèi)阻重要包括兩個部分，歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻在溫度恒定的條件下，歐姆電阻基本穩(wěn)定不變，而極化電阻會隨著影響極化水平的因素變動。
歐姆電阻重要由電極材料、電解液、隔膜電阻及集流體、極耳的連接等各部分零件的接觸電阻組成，與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、連接方式等有關。鋰離子電池的端電壓，指鋰離子電池被連接在回路中處于工作狀態(tài)時，檢測到的電池正負極之間的電壓，其數(shù)值等于鋰離子電池電勢減去歐姆內(nèi)阻占壓后，剩余的電壓值。
觀察下面圖形，展示的是鋰離子電池放電過程的電壓-時間曲線的開始一段。電池開始放電后，曲線有一個瞬間壓降ΔU1，這是回路通電瞬間，電壓傳感器檢測到的電池兩端電壓從開路電壓（等于電池電勢）切換到端電壓的結(jié)果，ΔU1就是歐姆內(nèi)阻占壓，ΔU2則是在放電結(jié)束時候，斷開回路時，電池端電壓曲線上出現(xiàn)的一段電壓回升，同樣是歐姆內(nèi)阻帶來的影響，ΔU1與ΔU2是相同的。
能夠檢測到純歐姆內(nèi)阻的時間比較短暫，因為隨著電流逐漸上升至額定回路電流的過程中，極化現(xiàn)象逐漸加強，兩種內(nèi)阻的用途將混合到一起，不能分別。測量歐姆內(nèi)阻的時間窗口在1~2ms以內(nèi)。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
極化內(nèi)阻，從電芯內(nèi)由電流出現(xiàn)那一刻開始跟著出現(xiàn)，隨著電流的增大而增大，是電池內(nèi)部各種阻礙帶電離子抵達目的地的趨勢總和。極化電阻可以分為電化學極化和濃差極化兩部分。電化學極化是電解液中電化學反應的速度無法達到電子的移動速度造成的；濃差極化，是鋰離子嵌入脫出正負極材料并在材料中移動的速度小于鋰離子向電極集結(jié)的速度造成的。
上圖電壓時間曲線上的ΔU3一段，是回路斷開后，電池端電壓逐漸回升的一段，是電池內(nèi)部去極化過程的體現(xiàn)，ΔU3的數(shù)值就是極化內(nèi)阻的占壓。在不同的放電狀態(tài)下，ΔU3的數(shù)值并不相同。
2標準上的電池內(nèi)阻測量方法
《FreedomCAR電池試驗手冊》中的HPPC測試實驗，給出了鋰離子電池內(nèi)阻的一種典型測試方法直流內(nèi)阻測試法，步驟如下：
(1)用恒流40A限壓4.2V將電池充滿；
(2)用100A電流放出10%DOD(放電深度DepthOfDischarge)的電量，此時電池SOC為90%；
(3)靜止1小時；
(4)按下圖脈沖功率試驗圖進行一次試驗；
(5)重復(1)-(3)的試驗，每次放電深度新增10%，直到放出90%DOD進行最后的測試；
(6)將電池放出100%的DOD。
電流時間曲線如上圖所示。t0~t1時刻，對電池以120A的電流放電；t1~t2時
刻,電池斷電靜置；t2~t3時刻，對電池以100A的電流充電。電池,內(nèi)阻可以通過電池電壓變化量與電流變化量的比值求出,具體計算公式如下：
式中Rd為放電內(nèi)阻，Rc為充電內(nèi)阻，Id為放電電流,Ic為充電電流。脈沖放電和充電的時間不能過長，防止極化內(nèi)阻出現(xiàn)明顯影響。
3一些鋰離子電池內(nèi)阻測試方法
通過上面的描述可看到，標準給出的直流內(nèi)阻測試法，要給電池一個脈沖大電流，這種測試方法的準確程度，不但與使用的充放電設備以及傳感器的檢測器具的精度有關，電池內(nèi)阻本身大小，也會對誤差出現(xiàn)影響。于是研究人員根據(jù)自身產(chǎn)品，設備條件研究出一系列方法，對鋰離子電池內(nèi)阻進行檢測，下面列舉其中幾個比較典型的測試方式。
方法1，雙電阻法測量電池內(nèi)阻
秦輝在他的文章《電池內(nèi)阻的測量》中介紹了利用雙電阻法測量電池內(nèi)阻的方法。
如圖所示，電池串聯(lián)一個電阻形成回路，測量負載電阻的分壓，進而推算電池內(nèi)阻。這是一個非常簡易的方法，從接觸電路開始，我們幾乎就了解存在這么一個方法。使用這個方法的一個要點是，當外接電阻值與電池內(nèi)阻越接近，測量結(jié)果的誤差將越小。電阻計算公式：E/(r+R)=U/R，所以r=(E/U-1)R
用單片機實現(xiàn)上述電阻測量原理，框圖如下：
單片機主導的電池內(nèi)阻測量過程如下：單片機復位后，其控制端輸出高電平，將模擬開關的控制端IN置1，然后持續(xù)對電壓表進行檢測。當檢測到電壓表有輸入電壓時，單片機將模擬開關的IN控制端置0，則D端與S2端之間呈斷開狀態(tài)，此時電壓表測量所得的電壓值為電源的電動勢E。單片機通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)字電壓表測量所得的電壓數(shù)據(jù)存入單片機存儲器中。
然后單片機再將模擬開關的IN端置1，則D端與S2端之間呈導通狀態(tài)。此時電壓表測量所得的電壓值為模擬開關、電阻rˊ和R三者承受的總電壓Uˊ，單片機將該電壓數(shù)據(jù)讀入到單片機存儲器中。利用串聯(lián)電路分壓公式U=100Uˊ/199.5，單片機計算出U。再利用公式r=(E/U-1)R，單片機計算出電池內(nèi)阻r(公式中的r1=rˊ+0.5=99.5)。單片機通過接口電路將計算結(jié)果送入電壓表顯示電路，顯示出電池內(nèi)阻r的值。
這個方法，可以利用單片機的功能實現(xiàn)自動測量和結(jié)果顯示，但檢測的精度還是由電阻精度和電壓表精度決定。
方法二，不平衡電橋法電池內(nèi)阻測量
作者李舒晨，在他的文章《不平衡電橋法電池內(nèi)阻測量裝置的原理與設計》中介紹了利用不平衡電橋測量電池內(nèi)阻的方法。
不平衡電橋法測量電池內(nèi)阻的原理如上圖所示。其中R01,R02,R03為電橋內(nèi)設電阻,
Rx為含電動勢E的電池內(nèi)阻。電阻R00和開關K跨接在電橋A至B之間.根據(jù)戴維南定理，從N、G兩點看去，可有圖(b)所示的等效電路。其中E0為開路電壓，R0為等效電阻。
當電路滿足電橋平衡條件R02/R01=R03/Rx時，上述等效電路電壓源E0和等效電阻R0均不因開關K的接通與斷開狀態(tài)而改變，即在開關K接通和斷開狀態(tài)下均有
E0=E〔(R01+R02)/(R01+R02+R03+Rx)〕=E〔R01/(R01+Rx)〕
R0=(R01+R02)//(R03+Rx)=(R02//R03)+(R01//Rx)
用上述原理在實驗室測試電池內(nèi)阻時,只要在N,G之間接入一只直流電流表，反復接通和斷開開關K，并調(diào)節(jié)R01或R02，直到開關狀態(tài)變化時，電流表讀數(shù)不變，此時便可依公式算出電池內(nèi)阻：Rx=R01(R03/R02)。
將上述測量過程中使用的開關用電子開關取代，并用周期性電壓控制開關反復通斷。將N、G間的短路電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，并在開關通斷期間對電壓信號分別進行采樣保持形成兩路電壓，最后對兩路電壓進行差分放大送至平衡電壓指示表，這就構(gòu)成一個用不平衡電橋原理測量電池內(nèi)阻的裝置。
電橋電阻R01、R02、R03的選擇影響測量靈敏度；電阻R00對電橋靈敏度及電池放電有影響。
方法3，電池內(nèi)阻在線測量
作者陳寶明在他的文章《電池內(nèi)阻在線測量實驗系統(tǒng)的設計與制作》中介紹了一個比較常用的在線測量方法，交流注入法。
基本原理
實現(xiàn)電池內(nèi)阻在線測量的基本原理如上圖所示,當信號源給電池注入一個交流電流信號，測量出電池兩端出現(xiàn)的交流電壓信號和輸入的電流，就可計算出電池的內(nèi)阻:
r=Vrm/Irms
式中：Vrms為電池兩端交流電壓信號的有效值；Irms為輸入電池中的交流電流信號有效值。
具體實現(xiàn)在線測量的系統(tǒng)框圖，如上圖所示。系統(tǒng)由輸出輸入回路、輸入轉(zhuǎn)換電路、取樣電路、低噪聲前置放大器、方波轉(zhuǎn)換電路、乘法器電路、積分器電路、交流恒流信號出現(xiàn)電路、單片機控制系統(tǒng)、顯示器電路、接口電路和計算機等組成。
輸出的交流恒流信號接到電池兩端，再將電池內(nèi)阻出現(xiàn)的電壓信號，從電池兩端直接連接到輸入轉(zhuǎn)換開關電路。注入電流回路和信號測量回路分開，降低導線阻抗對電池內(nèi)阻的影響，實現(xiàn)四引線連接。
由單片機控制輸入轉(zhuǎn)換開關，首先接通取樣電路，檢測出注入電池回路中的電流值；再接通電池兩端，檢測出內(nèi)阻上出現(xiàn)的電壓信號，從而根據(jù)內(nèi)阻計算公式，計算出電池內(nèi)阻并顯示。同時，可通過接口電路，向PC計算機輸送相關信息，存儲相關數(shù)據(jù)，并自動繪制充放電特性曲線。
